شبیه سازی و ساخت حسگر فیبر نوری نازک شده جهت آشکارسازی هیدروژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه جامع امام حسین (ع)

2 دانشکده فیزیک دانشگاه علم و صنعت ایران

3 دانشگاه علم و صنعت ایران

4 پژوهشگر دانشگاه جامع امام حسین (ع)

چکیده

در این مقاله شبیهسازی و ساخت حسگر گازی براساس فیبر نازکشده بوسیله اندازهگیری طیف خروجی در حضور گاز با غلظتهای
مختلف هیدروژن مورد بررسی قرار گرفته و گزارش شده است. فیبرها با شعله اکسی بوتان تا قطرهای μm 5 / 15 و μm 6 / 26 نازک
شدهاند. سپس لایهنشانی بهروش کندوپاش فیزیکی با ضخامت nm 14 انجام شد. خروجی حاصله با کمک لیزر فیدبک توزیعی در
طول موج nm 1550 و تحلیلگر طیف نوری ) OSA ( بدست آمد و حساسیت حسگرها برای گاز هیدروژن مورد تحلیل و بررسی قرار
گرفت. این حساسیت به ترتیب برای فیبرهای μm 5 / 15 و μm 6 / 26 معادل 7 درصد تغییرات و 3 / 2 درصد تغییرات در ازای حضور
4 درصد هیدروژن و با زمان پاسخ s13 و s6 / 17 بدست آمد. حسگرهای ساخته شده در آزمون تکرارپذیری نیز رفتار موردقبولی را
نشان دادند. همچنین شبیهسازیهای انجام شده تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی را ارائه میدهند. تغییر محسوس شدت در غلظتهای
زیر 4 درصد، شناسایی هیدروژن را ساده و دقیق میسازد.
کلید واژهها : حسگر گاز هیدروژن، فیبرنوری نازک شده،

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation and Fabrication of Tapered Fiber Optics Hydrogen Sensor

نویسندگان [English]

  • Ali Riahi 1
  • Mahdi Heydari-Dayeni 2
  • mohammad vahedi 3
  • Javad Khalilzadeh 1
  • yadollah shahamat 4
1 Imam Hossein University
2 School of Physics, Iran University of Science and Technology
3 Iran University of Science and Technology
4 ihu
چکیده [English]

In this paper, we report simulation and fabrication of a gas sensor based on tapered fiber by measuring the output power in the presence of different hydrogen concentrations. The fibers were tapered to 15.5 μm and 26.6 μm by using oxy-butane torch and the output spectrum is obtained using a 1550nm laser source and an optical spectrum analyzer (OSA) and the sensitivities of the tapered fiber sensors were determined. It is shown that by increasing the percentage of the hydrogen in the surrounding environment, the output power is changed by 7% and 2.3% in the presence of 4% hydrogen for tapered fibers of diameter 15.5μm and 26.6 μm respectively. The response time of the aforementioned sensors were 13 and 17.6 seconds respectively. In addition, the repeatability tests of the fabricated sensors demonstrates acceptable results. Simulation of the tapered fiber sensors demonstrates good agreement with experimental results. The obtained sensitivity makes hydrogen detection below 4% easy and accurate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tapered optical fiber
  • Hydrogen sensor
  • Palladium
  • Evanescent field
[1] M. Pospíšilová, G. Kuncová, J. Trögl "Fiber-Optic Chemical Sensors and Fiber-Optic Bio-Sensors", Sensors, 2015, 15, 25208-25259.
[2] K. Mullaney, "The fabrication of micro-tapered optical fibres for sensing application", PhD Thesis, Centre for Engineering Photonics, School of Aerospace, Transport and Manufacturing, Cranfield University, 2016.
[3] A. Ghatak, K. Thyagrajan, “Introduction to fiber optics”, Cambridge university press, 1998.
[4] MI Zibaii, H Latifi, M Karami, M Gholami, SM Hosseini, MH Ghezelayagh, “Non-adiabatic tapered optical fiber sensor for measuring the interaction between α-amino acids in aqueous carbohydrate solution”, Meas. Sci. Technol. 21, 105801, 2010.
[5] C. Christofides, A. Mandelis, “Solid state sensor for trace hydrogen gas detection”, Journal of Applied Physics, 1990, 68, R1-R30.
[6] R. Tabassum, B. D. Gupta, "Fiber optic hydrogen gas sensor utilizing surface plasmon resonance and native defects of zinc oxide by palladium", Journal of Optics, 2015, 18, 015004.
[7] M. Tabib-Azar, B. Sutapun, and R. Petrick, “Highly sensitive hydrogen sensors using palladium coated fiber optics with exposed cores and evanescent field interactions”, Sensors and Actuators B, 1999, 56, 158-163.
[8] A. B. H. Negari, "Tapered optical fiber platform for high sensitivity refractive index sensing application", Phd Thesis, University of Dayton, 2014.
[9] Z. Yu, Long Jin, L. Sun, J. Li, Y. Ran, and B. Guan, "Highly Sensitive Fiber Taper Interferometric Hydrogen Sensors", IEEE Photonics Journal, 2016, 8.
[10] M. Ahmad, L.L. Hench, “Effect of taper geometries and launch angle on evanescent wave penetration depth in optical fibers”, Biosensors and Bioelectronics, 2005, 20, 1312–1319.